具有反馈镇流电阻的功率放大器的制作方法

1.本公开的技术大体上涉及功率放大器，并且更具体地说，涉及具有镇流电阻器以防止热崩溃的功率放大器。


背景技术：

2.在现代社会中，计算装置比比皆是，且更特别地移动通信装置越来越普遍。这些移动通信装置的普及部分地由目前在此类装置上启用的许多功能驱动。此类装置中处理能力的提高意味着移动通信装置从纯通信工具演进为复杂移动娱乐中心，从而能够增强用户体验。移动通信装置通常包含功率放大器以增强信号以在通信时发送。功率放大器可包含多个级。多单元功率放大器级的使用和布置可能使个别放大器产生废热。在恰当条件下，此类废热可导致功率放大器内的热崩溃，从而造成一个或多个放大器故障。虽然镇流电阻已用于降低热崩溃的可能性，但当电流在中功率电平上向上矫正时，此类方法可能导致显著的级去偏，从而导致非线性性能，这会不利地影响对新兴蜂窝通信标准的遵守，并且可能对用户体验产生负面影响。因此，在形成避免热崩溃的功率放大器方面存在改进空间。


技术实现要素：

3.具体实施方式中公开的各方面包含具有反馈镇流电阻的功率放大器。具体地说，功率放大器单元可从偏置电路接收偏置信号，其中所述偏置电路包含具有阻抗的反馈环路，所述阻抗从偏置信号的角度来看是相对低的阻抗，但从镇流热控制角度看会提供足够的电阻以避免热崩溃。在示例性方面，此反馈环路可延伸以与多个功率放大器单元一起操作，并且提供针对个别单元偏置信号控制优化的差模热控制和针对所述功率放大器的集体功率放大器单元的热控制优化的共模热控制。此类电路系统提供足够的镇流阻抗以用于热控制，同时还改善线性性能并避免对个别功率放大器单元进行去偏。
4.在这点上，在一个方面，公开一种电路。所述电路包括功率放大器单元。所述电路还包括在输入节点处耦合到所述功率放大器单元的偏置电路。所述偏置电路被配置成通过所述输入节点向所述功率放大器单元提供偏置信号。所述偏置电路包括反馈网络。所述反馈网络被配置成提供差模镇流稳定性和共模镇流稳定性。反馈网络还被配置成在三百欧姆(300ω)下针对偏置信号提供镇流电阻。
附图说明
5.图1a是具有使用镇流电阻来防止热崩溃的偏置电路的常规功率放大器单元的电路图；
6.图1b是具有多个功率放大器单元的常规功率放大器级的电路图，每个功率放大器单元通过镇流电阻接收偏置信号以防止热崩溃；
7.图1c是示出关于各种大小的镇流电阻的邻近信道泄漏比率(aclr)与功率以及相关联非线性的曲线图；
8.图2是具有多个功率放大器单元的单端功率放大器级的混合块和电路图，所述多个功率放大器单元从具有用于差模和共模镇流的反馈网络的偏置电路接收偏置信号，以改善线性的同时防止热崩溃；
9.图3是具有多个功率放大器单元的差分端功率放大器级的混合块和电路图，所述多个功率放大器单元从具有用于差模和共模镇流的反馈网络的差分偏置电路接收偏置信号，以改善线性的同时防止热崩溃；
10.图4是具有多个功率放大器单元的差分端功率放大器级的混合块和电路图，所述多个功率放大器单元从具有用于差模和共模镇流的两个反馈网络的整体偏置电路接收偏置信号，以改善线性的同时防止热崩溃；
11.图5是示出在还使用外部镇流电阻来改善共模镇流的单个功率放大器单元的偏置电路内的示例性反馈网络的电路图；
12.图6是将具有反馈网络的偏置电路延伸到具有多个功率放大器单元的功率放大器级的电路图，每个功率放大器单元具有外部镇流电阻以改善共模镇流；
13.图7是示出在还使用外部镇流电阻来改善共模镇流的单个功率放大器单元的偏置电路内的t型反馈网络的电路图；
14.图8是将图7的概念延伸到具有多个功率放大器单元的功率放大器级的电路图，每个功率放大器单元具有外部镇流电阻以改善共模镇流；
15.图9是示出在不具有外部镇流电阻的单个功率放大器单元的偏置电路内的l型反馈网络的电路图；
16.图10是示出包含wilson电流镜的偏置电路的电路系统的电路图，所述wilson电流镜与反馈网络一起工作以在无外部镇流电阻的情况下为单个功率放大器单元提供偏置信号；
17.图11示出图10的偏置电路，其具有外部镇流电阻以改进共模镇流；
18.图12示出图11的具有关于作为t型反馈网络的反馈网络的额外细节的偏置电路；
19.图13a和13b示出具有反馈网络的偏置电路，其中所述偏置电路可包含添加的任选单端电阻性退化；
20.图13c示出具有反馈网络的偏置电路，其中所述偏置电路可包含添加的任选双端电阻性退化；
21.图14示出具有带有任选电阻性退化的反馈网络的替代偏置电路；
22.图15是示出图11的偏置电路的概念可如何延伸到具有多个功率放大器单元的功率放大器级的电路图；以及
23.图16是对比常规镇流技术与根据本公开的示例性方面的具有反馈镇流电阻的功率放大器的aclr与功率的图。
具体实施方式
24.下文阐述的实施例表示使本领域技术人员能够实践实施例并说明实践实施例的最佳模式所必需的信息。在根据附图阅读以下描述时，本领域技术人员将理解本公开的概念，并将认识到这些概念在此未特别述及的应用。应理解，这些概念和应用落入本公开和所附权利要求的范围内。
25.应理解，尽管术语第一、第二等在本文中可以用于描述各种元件，但这些元件不应受这些术语限制。这些术语仅用于区分一个元件与另一个元件。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件。如本文所用，术语“和/或”包含相关联所列项目中的一个或多个项目的任何和所有组合。
26.应当理解，当例如层、区域或衬底的元件被称为“在另一元件上”或“延伸到”另一元件上时，其可以直接在另一元件上或直接延伸到另一元件上，或者也可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接在另一元件上”或“直接延伸到另一元件上”时，不存在中间元件。同样，应理解，当例如层、区域或衬底的元件被称为“在另一元件上方”或“在另一元件上方延伸”时，其可以直接在另一元件上方或直接在另一元件上方延伸，或者也可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接在另一元件上方”或“直接在另一元件上方”延伸时，不存在中间元件。还将理解，当元件被称为“连接”或“耦合”到另一元件时，其可以直接连接或耦合到另一元件，或者可以存在中间元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一元件时，不存在中间元件。
27.例如“以下”或“以上”或“上”或“下”或“水平”或“竖直”的相对术语在本文中可以用于描述一个元件、层或区域与如图所示的另一元件、层或区域的关系。应理解，这些术语和上面讨论的那些旨在包含除附图中描绘的朝向之外的装置的不同朝向。
28.本文所用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并且不旨在限制本公开。如本文所用，除非上下文另外明确指示，否则单数形式“一(a/an)”和“所述”也旨在包含复数形式。还应理解，当在本文中使用时，项“包括(comprises/comprising)”和/或包含(includes/including)指定存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或它们的群组。
29.除非另外定义，否则本文使用的所有术语(包含技术和科学术语)具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。将进一步理解的是，除非本文明确地定义，否则本文使用的术语应被解释为具有与其在本说明书的上下文和相关技术中的含义一致的含义，并且将不以理想化或过于正式的意义来解释。
30.具体实施方式中公开的各方面包含具有反馈镇流电阻的功率放大器。具体地说，功率放大器单元可从偏置电路接收偏置信号，其中所述偏置电路包含具有阻抗的反馈环路，所述阻抗从偏置信号的角度来看是相对低的阻抗，但从镇流热控制角度看会提供足够的电阻以避免热崩溃。在示例性方面，此反馈环路可延伸以与多个功率放大器单元一起操作，并且提供针对个别单元偏置信号控制优化的差模热控制和针对所述功率放大器的集体功率放大器单元的热控制优化的共模热控制。此类电路系统提供足够的镇流阻抗以用于热控制，同时还改善线性性能并避免对个别功率放大器单元进行去偏。
31.在论述本公开的示例性方面之前，参考图1a-1c提供具有镇流电阻以防止热崩溃的常规功率放大器级的简要概述。下文参考图2开始论述具有反馈镇流电阻的功率放大器的示例性方面。
32.在这点上，图1a是具有可以是单个镇流电阻器的镇流电阻102以防止热崩溃的常规功率放大器单元100的电路图。功率放大器单元100可以是具有集电极100c、基极100b和发射极100e的双极结晶体管(bjt)。基极100b通过电容器104接收射频(rf)电流(ib_rf)并通过镇流电阻(rballast)102接收镇流电流(ib_envelope)。镇流电流ib_envelope由偏置
电路106设置。偏置电路106知晓镇流电阻102的值，并且可通过控制镇流电流ib_envelope来设置电压电平vballast。设置电压电平vballast会改变基极100b处的电压，从而允许对功率放大器单元100的偏置控制。当在基极100b处的电流由于ib_rf而增加时，电压vballast将帮助将电流电平拉回降到缓解热崩溃的电平。
33.使用由一个或多个镇流电阻器构成的镇流电阻来防止热崩溃可延伸到具有多个功率放大器单元的功率放大器级，如图1b中更好地示出。具体地说，功率放大器级120可包含多个功率放大器单元100(1)-100(n)。每个功率放大器单元100(1)-100(n)可具有相关联的镇流电阻102(1)-102(n)以防止热崩溃。每个功率放大器单元100(1)-100(n)通过相应的电容器104(1)-104(n)接收rf信号。偏置电路106可通过镇流电阻器102(1)-102(n)向每个功率放大器单元100(1)-100(n)提供偏置信号。
34.功率放大器单元100的镇流电阻102的存在确实提供了与镇流电阻器的大小成松散比例的热崩溃保护，其中越大的电阻器提供越大的保护。然而，如图1c中的图150所示，热控制的改善是以邻近信道泄漏比率(aclr)与功率的非线性性能为代价。具体地讲，线152示出相对大的镇流电阻(例如，大于五百欧姆(》500ω))，而线154示出相对小的镇流电阻(例如≈300ω)。非线性显示为“上拱弓起(back-up hump)”156。线154是最具线性的，但仍具有在弓起156附近的约-43分贝(db)的aclr。第四代(4g)蜂窝标准容许大约三十五db的aclr，并且因此，线152和154对于在4g标准下操作的装置都是大体上可接受的。然而，第五代(5g)标准的出现要求在受关注范围内超过-45db。因此，常规大小的镇流电阻器(例如，》300ω)不再能够提供可接受的aclr。虽然可使用较小的镇流电阻器，但简单地减小镇流电阻器的大小将不利地影响热控制和对功率放大器级的风险损坏。
35.虽然发射极镇流是可能的，但发射极镇流会损害输出功率和效率。这些缺点使得发射极镇流不适合大多数移动应用。因此，在提供热控制同时提供所要的偏置性能方面仍存在改进空间。本公开的示例性方面将反馈网络添加到偏置电路，以为功率放大器级提供改进的共模和差模镇流。所述反馈网络允许减少或消除外部镇流电阻(例如，镇流电阻器102),使得来自偏置电路的偏置信号经历相对小的电阻，但可用于提供热控制的电阻可能仍然相对大(例如，》250-300ω)。
36.如本文所用，差模镇流是指向个别功率放大器单元提供热控制的个别镇流。此外，如本文中所使用，共模镇流是指使得功率放大器级内的所有功率放大器单元得到热控制的镇流。
37.图2提供包含具有多个功率放大器单元204(1)-204(n)的功率放大器级202的电路200的图。功率放大器级202可以是单端功率放大器级。功率放大器级202可从具有偏置电路208和反馈网络210的全局偏置网络206接收偏置信号。反馈网络210包含启用差模镇流和共模镇流的电路系统。反馈网络210具有环路增益，如下文更详细地解释。下文从参考图10开始提供关于偏置电路208的更多细节。下文从参考图5开始提供关于反馈网络210的更多细节。在描述这些细节之前，扩展本公开的应用广度。
38.在这点上，本公开的概念可应用于差分功率放大器级，如图3中的电路300所示。电路300包含差分功率放大器级302，所述差分功率放大器级具有差分输出302p、302n和多个功率放大器单元304p(1)-304p(n)、304n(1)-304n(n)。功率放大器级302可从具有正偏置电路308p和负偏置电路308n的全局偏置网络306接收偏置信号。另外，全局偏置网络306可包
含正反馈网络310p和负反馈网络310n。正反馈网络310p向正功率放大器单元304p(1)-304p(n)提供偏置信号，并且负反馈网络310n向负功率放大器单元304n(1)-304n(n)提供偏置信号。与图2的反馈网络210一样，反馈网络310p、310n包含启用差模和共模镇流的电路系统。
39.代替专用正偏置电路308p和负偏置电路308n，所述偏置电路可共享。因此，如图4中的电路400中所示，全局偏置网络406可包含生成偏置信号并使用单独反馈网络310p、310n的共享偏置电路408。在其它方面，电路400和其元件与图3的电路300基本相似，并且编号被再利用以示出共同功能。
40.为简单起见，关于反馈网络的更多细节最初相对于通用偏置电路和单个功率放大器单元示出。因此，图5示出具有单个功率放大器单元502的电路500。rf信号通过电容器504提供给功率放大器单元502的基极，或换句话说，电容器504被配置成接收rf输入信号。在这点上，功率放大器单元502的基极和电容器504两者可被视为耦合到输入节点。镇流电阻器506还经由输入节点耦合到功率放大器单元502的基极，并且向其提供偏置信号。偏置电路508从偏置放大器电路510生成偏置信号。偏置放大器电路510包含反馈网络512，所述反馈网络至少包含反馈阻抗514，例如反馈电阻器。使用反馈网络512允许镇流电阻器506具有相对低的值(例如，小于大约150ω，并且更具体地，小于约100ω，并且甚至更具体地小于约50ω)，但仍然提供所要的共模镇流。热控制的其余部分由反馈阻抗514提供，所述反馈阻抗可以是较高值电阻器(例如，200-295ω，使得基极经历的电阻的总和约为300+ω)。虽然反馈阻抗514可能相对较大，但当电阻的总和除以反馈环路的环路增益时，偏置信号经历的阻抗要低得多。将在下文提供其它示例。作为命名法的进一步注释，如本文所用，大约意指在百分之五(5％)内。
41.图6示出电路600，其中图5的电路500的概念展开以覆盖多个功率放大器单元。具体地说，电路600具有功率放大器级602，所述功率放大器级具有多个功率放大器单元604(1)-604(n)。rf信号通过电容器606(1)-606(n)提供给功率放大器单元604(1)-604(n)的相应基极。相应镇流电阻器608(1)-608(n)也耦合到功率放大器单元604(1)-604(n)的基极，并且向其提供相应的偏置信号。全局偏置电路610包含从偏置放大器电路614(1)-614(n)生成相应偏置信号的相应偏置电路612(1)-612(n)。偏置电路612(1)-612(n)各自包含相应的反馈网络616(1)-616(n)，所述反馈网络至少包含反馈阻抗618(1)-618(n)，例如反馈电阻器。操作类似于上文针对电路500论述的操作。应了解，此概念可延伸到差分功率放大器级。
42.反馈阻抗可以多种方式布置，但示例性布置是如图7所示的t型结构。具体地说，图7示出具有功率放大器单元702的电路700。rf信号通过电容器704提供到功率放大器单元702的基极。镇流电阻器706也耦合到功率放大器单元702的基极，并且向其提供偏置信号。偏置电路708从偏置放大器电路710生成偏置信号。偏置放大器电路710包含反馈网络712，所述反馈网络包含具有电阻器714和电阻器716的t型电阻器布置。t的其余部分由镇流电阻器706提供。
43.同样，所述概念可延伸到具有多个功率放大器单元的功率放大器级。在这点上，图8示出具有功率放大器级802的电路800，所述功率放大器级具有多个功率放大器单元804(1)-804(n)。rf信号通过电容器806(1)-806(n)提供给功率放大器单元804(1)-804(n)的相应基极。相应镇流电阻器808(1)-808(n)也耦合到功率放大器单元804(1)-804(n)的基极，并且向其提供相应的偏置信号。全局偏置电路810包含从偏置放大器电路814(1)-814(n)生
成相应偏置信号的相应偏置电路812(1)-812(n)。偏置电路812(1)-812(n)各自包含相应的反馈网络816(1)-816(n)，所述反馈网络包含具有电阻器818(1)-818(n)和电阻器820(1)-820(n)的t型电阻器布置。电阻器818(1)-818(n)和820(1)-820(n)有可能与中心分接头组合。应了解，此概念可延伸到差分功率放大器级。
44.虽然图5-8的电路500-800的示例考虑了使用外部镇流电阻器支持共模镇流，但本公开不限于此，并且外部镇流电阻器可被消除并改为l型阻抗，如图9中更好地所见。具体地说，电路900包含功率放大器单元902。rf信号通过电容器904提供到功率放大器单元902的基极。偏置电路908从偏置放大器电路910生成偏置信号。偏置放大器电路910包含反馈网络912，所述反馈网络包含具有电阻器914和电阻器916的l型电阻器布置。电阻器914、916的值可被选择以提供适当的偏置信号和所要热控制。虽然未示出，但此概念可展开到功率放大器堆叠中的多个功率放大器单元，并且可延伸到差分放大器堆叠。
45.图10-15示出可与本公开一起使用的示例性偏置电路，应理解，可使用其它偏置电路。总的来说，可使用电流镜，例如wilson或widlar电流镜。也可使用其它类型的反馈镜。
46.转到图10，示出电路1000。电路1000具有功率放大器单元1002。rf信号通过电容器1004提供到功率放大器单元1002的基极。偏置信号1006也提供到功率放大器单元1002的基极。偏置电路1008从偏置放大器电路1010生成偏置信号1006。偏置放大器电路1010包含反馈网络1012。偏置放大器电路1010是具有第一晶体管1014、第二晶体管1016和第三晶体管1018的wilson电流镜。第一晶体管1014的发射极耦合到第二晶体管1016的集电极。第二晶体管1016和第三晶体管1018的基极也可耦合。第三晶体管1018的集电极可耦合到第一晶体管1014的基极。反馈网络1012可将第一晶体管1014的发射极耦合到第二晶体管1016和第三晶体管1018的基极，并提供偏置信号1006。
47.虽然电路1000省略了外部镇流电阻器，但如图11所示的电路1100添加了镇流电阻器1102以用于改进共模镇流。电路1100的其余元件与电路1000的元件基本上相同，并且编号被重复使用。
48.将图7的电路700和电路1100的细节组合产生图12中所示的电路1200。来自电路1100的许多元件是相同的，但反馈网络1012的细节展开以示出电阻器1202、1204。电阻器1202提供差模镇流，并且电阻器1102提供共模镇流。电阻器1102、1202、1204以t形配置布置。
49.应注意，可通过添加电阻性退化来改变偏置电路1008，如图13a-13c中更好地示出。图13a中的电路1300类似于图11的电路1100，但将退化电阻1302添加到第二晶体管1016。类似地，图13b中的电路1310将退化电阻1312添加到第三晶体管1018。图13c中的电路1320将第一退化电阻1322添加到第二晶体管1016，并且将第二退化电阻1324添加到第三晶体管1018。
50.偏置电路上的另一变型可见于图14中的电路1400中。wilson电流镜已添加第四晶体管1402，并且可具有任选的退化电阻1404、1406(任一者或这两者)。
51.如先前所指示，本公开的概念可延伸到具有多个功率放大器单元的功率放大器堆叠。应了解，功率放大器堆叠可包含单端输出或差分输出。在这点上，图15示出具有功率放大器堆叠1502的电路1500，所述功率放大器堆叠具有功率放大器单元1504(1)-1504(n)。rf信号通过电容器1506(1)-1506(n)提供给功率放大器单元1504(1)-1504(n)的相应基极。相
应镇流电阻器1508(1)-1508(n)也耦合到功率放大器单元1504(1)-1504(n)的基极，并且向其提供相应的偏置信号。全局偏置电路1510包含由晶体管1512、1514和1516形成的wilson电流镜偏置电路，所述晶体管生成在相应的反馈网络1518(1)-1518(n)之间拆分的偏置信号，所述反馈网络包含具有电阻器1520(1)-1520(n)和电阻器1522(1)-1522(n)的t型电阻器布置。应了解，此概念可延伸到差分功率放大器级。
52.本公开的示例性方面的优点可在图1600中看到，此图再次标绘aclr与功率。提供图1c的线152、154，其示出上拱弓起156。相比之下，在偏置电路中使用t形反馈网络的电路示出线1602、1604中改善的线性。因此，本文中所描述的电路提供所要的线性和热控制以更好地满足新兴蜂窝标准的需求。
53.提供对本公开的先前描述，使得本领域的任何技术人员都能够进行或使用本公开。对本公开的各种修改对于本领域的技术人员来说将显而易见，并且本文中定义的一般原理可应用于其它变型。因此，本发明并不希望限于本文中所描述的实例和设计，而应被赋予与本文中所公开的原理和新颖特征相一致的最广范围。

技术特征：
1.一种电路，包括：功率放大器单元；以及偏置电路，在输入节点处耦合到所述功率放大器单元，所述偏置电路被配置成通过所述输入节点向所述功率放大器单元提供偏置信号，所述偏置电路包括：反馈网络，被配置成：提供差模镇流稳定性和共模镇流稳定性；以及在三百欧姆(300ω)下向所述偏置信号提供镇流电阻。2.根据权利要求1所述的电路，其中所述功率放大器单元包括双极结晶体管bjt。3.根据权利要求2所述的电路，另外包括定位于所述偏置电路与所述bjt的基极之间的镇流电阻器。4.根据权利要求3所述的电路，其中所述镇流电阻器小于150ω。5.根据权利要求3所述的电路，其中所述镇流电阻器小于大约50ω。6.根据权利要求1所述的电路，另外包括电容器，所述电容器耦合到所述输入节点并且被配置成接收射频(rf)输入信号。7.根据权利要求1所述的电路，其中所述偏置电路耦合到功率放大器堆叠，并且所述功率放大器单元是所述功率放大器堆叠内的多个功率放大器单元中的一者。8.根据权利要求7所述的电路，其中所述功率放大器堆叠包括差分输出。9.根据权利要求7所述的电路，其中所述功率放大器堆叠包括单端输出。10.根据权利要求1所述的电路，其中所述偏置电路包括wilson电流镜。11.根据权利要求1所述的电路，其中所述偏置电路包括widlar电流镜。12.根据权利要求1所述的电路，其中所述反馈网络包括t形阻抗电路。13.根据权利要求3所述的电路，其中所述反馈网络包括第一电阻器，所述第一电阻器串行耦合到所述镇流电阻器，并且所述第一电阻器和所述镇流电阻器共同提供大约300ω的电阻。14.根据权利要求1所述的电路，其中所述反馈网络包括环路增益，并且所述偏置信号经历的阻抗基于所述环路增益。

技术总结
公开了一种具有反馈镇流电阻的功率放大器。在一个方面，功率放大器单元可从偏置电路接收偏置信号，其中所述偏置电路包含具有阻抗的反馈环路，所述阻抗从所述偏置信号的角度来看是相对低的阻抗，但从镇流热控制角度看会提供足够的电阻以避免热崩溃。在示例性方面，此反馈环路可延伸以与多个功率放大器单元一起操作，并且提供针对个别单元偏置信号控制优化的差模热控制和针对所述功率放大器的集体功率放大器单元的热控制优化的共模热控制。率放大器单元的热控制优化的共模热控制。率放大器单元的热控制优化的共模热控制。


技术研发人员：B
受保护的技术使用者：QORVO美国公司
技术研发日：2023.01.30
技术公布日：2023/8/2